Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловой двигатель

Тепловой двигатель

Теплово́й дви́гатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно использование изменения не только объёма, но и формы рабочего тела, как это делается в твёрдотельных двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в твёрдой фазе.) Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давления по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно нужно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), которое совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Теория
  • 3 Типы тепловых двигателей
    • 3.1 Двигатель Стирлинга
    • 3.2 Поршневой двигатель внутреннего сгорания
    • 3.3 Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания
    • 3.4 Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания
    • 3.5 Реактивные и ракетные двигатели
      • 3.5.1 Турбовинтовой двигатель
      • 3.5.2 Турбореактивный двигатель
      • 3.5.3 Ракетный двигатель
        • 3.5.3.1 Твёрдотопливный ракетный двигатель
        • 3.5.3.2 Гибридный ракетный двигатель
        • 3.5.3.3 ЖРД (жидкостный ракетный двигатель)
    • 3.6 Твердотельные двигатели
    • 3.7 Дистилляционный двигатель
  • 4 Литература

История [ править ]

Первой известной тепловой конструкции была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ веке н. э. в Римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени. На прогресс это изобретение никакого влияния не оказало и было забыто. Следующей тепловой машиной, изобретённой человеком, была пороховая ракета и пороховое орудие. Дата его изобретения неизвестна, первое известное упоминание относится к 13 веку. Это произошло в Китае. Это было простое устройство, которое с точки зрения инженера и механика не является тепловым двигателем, так как не имеет вала отбора мощности, но с точки зрения физики является тепловой машиной. Поэтому этот прибор имеет ограниченное применение: для связи, в военном деле, как транспорт (в последнем случае есть проблемы, но в принципе это возможно). В 17 веке изобретательская мысль попыталась на базе порохового орудия создать тепловой двигатель.

Теория [ править ]

Работа, совершаемая двигателем, равна:

, где:

  • — количество теплоты, полученное от нагревателя,
  • — количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя() и холодильника():

Типы тепловых двигателей [ править ]

Двигатель Стирлинга [ править ]

Дви́гатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от создания разницы температур его цилиндров.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания [ править ]

Двигатель Внутреннего Сгорания или ДВС, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860.

В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит либо за четыре хода поршня, за четыре такта, либо за два и двигатели делятся на четырёхтактные и двухтактные. Цикл четырёхтактного двигателя состоит из следующих тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск. В цикле двухтактного двигателя такты рабочего хода и сжатия аналогичны четырёхтактному двигателю, а впуск и выпуск осуществляется одновременно в момент нахождения поршня вблизи от нижней мёртвой точки.

Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания [ править ]

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия. Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще. Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

Читать еще:  Двигатель 417 плохо заводится на горячую

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания [ править ]

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели.

Реактивные и ракетные двигатели [ править ]

Идея реактивного и ракетного двигателя состоит в том, чтобы тяга создавалась не винтом, а отдачей выхлопных газов двигателя.

Турбовинтовой двигатель [ править ]

Турбовинтовой двигатель часть тяги создаёт за счёт винта, другую часть за счёт отдачи выхлопных газов. По конструкции он представляет собой газовую турбину (роторный двигатель внутреннего сгорания), на вал которой насажен воздушный винт.

Турбореактивный двигатель [ править ]

Турбореактивный двигатель создаёт тягу за счёт отдачи выхлопных газов. По конструкции он представляет собой газовую турбину (роторный двигатель внутреннего сгорания), на вал которой насажен компрессор, повышающий давление для эффективного сжигания топлива.

Ракетный двигатель [ править ]

Ракетный двигатель может создавать тягу в безвоздушном пространстве.

Твёрдотопливный ракетный двигатель [ править ]

Твердотопливный ракетный двигатель (РДТТ). В РДТТ всё топливо в виде заряда помещается в камеру сгорания; двигатель обычно работает непрерывно до полного выгорания топлива.

РДТТ были первыми ракетными двигателями, нашедшими практическое применение. Ракеты с РДТТ (пороховые ракеты) известны уже около 1000 лет; они использовались как сигнальные, фейерверочные, боевые. Описания «огненных стрел» — прототипов пороховых ракет — содержатся в китайских иЗЮЗийских [неизвестный термин] рукописях 10 в. Это оружие представляло собой обычные стрелы, к которым прикреплялись бамбуковые трубки, заполненные порохом. В 1-й половине 17 в. в «Уставе» Онисима Михайлова описываются первые русские ракеты — артиллерийские ядра с каналом, в котором помещался пороховой заряд. В 1798

индийцы применяли боевые ракеты против английских колонизаторов, а в 1807 англичане использовали подобные ракеты в войне с Данией (при осаде Копенгагена). Первоначально топливом для РДТТ служил дымный порох. В конце 19 в. был разработан бездымный порох, превосходивший дымный по устойчивости горения и работоспособности. В дальнейшем были получены новые высокоэффективные виды твёрдых топлив, что позволило конструировать боевые ракеты с РДТТ самой различной дальности, вплоть до межконтинентальных баллистических ракет.

Гибридный ракетный двигатель [ править ]
ЖРД (жидкостный ракетный двигатель) [ править ]

Твердотельные двигатели [ править ]

В двигателях этого типа в качестве рабочего тела используется твёрдое тело, а при работе двигателя изменяется не объём рабочего тела, а его форма. Такой двигатель позволяет использовать рекордно малый перепад температур при более высоком КПД.

Дистилляционный двигатель [ править ]

Существует разработка двигателя с внешним нагревом, в котором ротор в виде пустотелого кольца частично заполнен легкоиспаряемым твёрдым телом. Незаполненная часть ротора и часть рабочего тела нагреваются, образующийся пар перетекает из нагретой части ротора в ненагретую, нарушая тем самым равновесие ротора в поле силы тяжести. В результате ротор приводится во вращение. Особенностью двигателя является согласованность скорости вращения его ротора со скоростью испарения рабочего тела. Двигатель разработан для осуществления зонной дистилляции с многократным повторением в устройстве с вращающимся контейнером (Патент Украины №78272).

Принцип работы тепловых двигателей

ОК – 39

Тепловые двигатели

— машины, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую.

Тепловые двигатели

Двигатели внутреннего сгоранияпаровые двигателитурбины

дизельные карбюраторные газовые паровые

паров. двиг: 1698 г – англ. Т. Севери, 1763 г – русск. И. И. Ползунов, 1774 г – англ. Дж. Уатт

двиг. внутр. сгор: 1707 г – фр. Д. Папен, 1860 г – фр. Ленуар, 1876 г – нем. Н. Отто

пар. турб: 1889 г – швед. К. Лаваль

Принцип работы тепловых двигателей

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабоче-го тела и холодильника. Энергия, выделившая при сгорании топлива в нагревателе, передается рабочему телу – газу или пару. Расширяясь, газ совершает механическую работу. Чтобы двигатель мог работать циклически, необходимо сжать газ после расширения. Для уменьшения работы, со-вершаемой над газом при сжатии, его охлаждают, исполь-зуя холодильник (окружающая среда). А’ = Q1 – Q2

Рабочее вещество совершает положительную работу, расширяясь от V1 до V2. Чтобы замкнуть цикл, можно возвратить: 1) по тому же пути (А=0); 2) через состояние 2, 3, 1 (A 0) совершена положительная работа, равная площади (S) цикла.

Читать еще:  Шкода йети сколько масла в двигателе
Из всех тепловых машин, работающих в контакте с нагревателем Т1 и холодиль-ником Т2 максимально возможный КПД достигается в равновесном (обратном) цикле Карно, состоящем из двух изотерм и двух адиабат КПД не зависит от вида машины и используемого рабочего вещества устройства, а зависит только от температур Т1 и Т2. Цикл Карно: 1) такт АВ – изотермическое расширение при температуре нагревателя Т1 2) такт ВС – адиабатное расширение, при котором температура понижается до температуры холодильника Т2 3) такт СД – изотермическое сжатие при температуре Т2

4) такт ДА – адиабатное сжатие, при котором газ нагревается до температуры Т1

1) такт АВ – всасывание топливно – воздушной смеси 2) такт ВС – сжатие 3) такт СД – зажигание топливно – воздушной смеси и расширение отработанных газов 4) такт ДА – выпуск отработанных газов η ≈ 30%

Четырехтактный дизельный двигатель:

1) такт АВ – всасывание воздуха 2) такт ВС – сжатие воздуха. Температура повышается до 500 — 700ºС 3) такт СД – впрыскивание и зажигание топлива и расширение отработанных газов 4) такт ДА – выпуск отработанных газов η ≈ 40%

КПД тепловых двигателей:

1. КПД не зависит от Q, p, V, m топлива 2. КПД является функцией только двух температур ДВС 25 – 30% Турбина ≈40% Дизель 40% Реактивный двигатель 47%Повысить КПД: уменьшить трение, сгорание топлива

Использование тепловых двигателей:

Паровые турбины на ТЭС, АЭС; все виды транспорта; речные и морские суда; в сельском хозяйстве, строительной и оборонной промышленности.

Более 80% электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях.

Охрана природы:

Сооружения, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ; увеличение эффективности использования энергии; экономия; замена ДВС электродвигателями.

Тепловые двигатели

Важнейшими практическими задачами, которые привели к развитию теплотехники и термодинамики были создание тепловых сетей для внутреннего обогрева помещений и создание устройств для превращения внутренней энергии в механическую – тепловых двигателей. В основе первой задачи лежит теория теплопроводности. Для решения второй был необходим процесс, при котором внутренняя энергия системы уменьшается, а механическая увеличивается. Такой процесс известен: при расширении газа под поршнем, он двигает поршень и при этом охлаждается. Молекулярное описание этого процесса уже было дано. Казалось бы, задача решена. Однако, важной особенностью является то, что работа двигателя должна быть циклической, он должен возвращаться к исходному состоянию. Поэтому, если после совершения полезной работы А, при которой внутренняя энергия рабочего тела (газа) уменьшилась на DU, вернуть его в исходное состояние по тому же пути, то внешние силы совершат работу A’=-А (поскольку внутренняя энергия должна увеличиться на DU), и никакой полезной работы совершить не удастся.

Дальше намечается два пути 1) каждый раз использовать новое рабочее тело, продукты реакции выбрасывать (двигатели внутреннего сгорания) или 2) использовать одно и то же рабочее тело (одну порцию газа), но возвращать систему в исходное состояние по пути с более низкой температурой. Рассмотрим этот способ подробнее, поскольку в этом случае машина не обменивается веществом с окружающей средой, а только теплом.

Цилиндр с газом может вступать в тепловой контакт с двумя телами, имеющими разную температуру – «нагревателем» и «холодильником». T1>T2. Цикл состоит из 4 частей. 1)Получая от нагревателя тепло Q1, газ расширяется при температуре T1 2) Контакт с нагревателем прекращен, но газ продолжает расширяться, охлаждаясь до температуры T2 3) Цилиндр приводят в контакт с холодильником и он сжимается при температуре T2, отдавая холодильнику тепло Q2. Важнейшей особенностью процесса является то, что тепло Q2 меньше тепла Q1. На последней части цикла газ сжимается без контакта с холодильником, его температура достигает T1, а объем становится равен исходному. Машина готова к повторению цикла. Полезная работа A=Q1-Q2>0, Этот идеализированный цикл послужил основой для построения теории тепловых двигателей. Был выяснен важнейший факт: количество тепла Q1 не может быть полностью превращено в механическую работу.Часть тепла будет бесполезно потеряна. КПД теплового двигателя логично определить долей Q1, превращенной в механическую работу . Описанный выше циклический процесс был проанализирован французским инженером итальянского происхождения Сади Карно и получил название цикла Карно. Для машины без тепловых и механических потерь КПД цикла Карно вычисляется по формуле Это максимальный КПД, который может иметь тепловая машина с данными температурами T1 и T2. Видно, что чем больше разность температур, тем выше КПД. Поскольку понижать температуру T2 ниже температуры окружающей среды невыгодно (почему?), стараются повысить температуру T1.

Холодильник. Если организовать этот процесс в противоположном направлении, то мы будем отбирать у второго резервуара тепло Q2 и отдавать первому Q1. По этому принципу работают все холодильные машины. Вторым резервуаром является охлаждаемое тело, первым – обычно атмосфера. На каждом цикле работы холодильника необходимо совершать внешнюю механическую работу. В бытовом холодильнике легкоиспаряемая жидкость испаряется при более низкой температуре в спирали холодильной камеры, а затем конденсируется при более высокой во внешней спирали. Ясно, что конденсация при более высокой температуре должна происходить при повышенном давлении. На повышение этого давления и идет механическая работа электродвигателя холодильника.

Читать еще:  Вибрация и шум двигателя на оборотах

В реальных тепловых машинах конструкторов не особо заботило сохранение рабочего тела. В паровой машине нагретый пар совершал работу, двигая поршень, после чего выбрасывался в атмосферу. Отработанные продукты сгорания в современных двигателях также выбрасываются. Принципиальная схема поршневого двигателя приведена на рисунке

Нагретые газы под высоким давлением поступают из нижнего отверстия в камеру, связанную с цилиндром. На левом такте газы давят на поршень слева, а из правой части отработанный газ беспрепятственно уходит в атмосферу. Маховик на оси вращения заставляет систему проходить через крайние точки. Недостатками тепловых двигателей является ограниченная мощность. Увеличение мощности ведет к увеличению прочности цилиндров (и их веса), веса поршней и движущихся частей. Поэтому максимальная мощность поршневого двигателя 17500 лошадиных сил. 1л.с.=735 Вт. Кроме поршневых двигателей используются роторные, где движущаяся с большой скоростью струя пара вращает турбину с лопатками.

Тепловые двигатели и холодильные машины.

Тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет полученной извне теплоты.

Термостатом называется термодинамическая система, которая может обмениваться теплотой с телами практически без изменения собственной температуры.

Рабочее тело – это тело, совершающее круговой процесс и обменивающееся энергией с другими телами.

Тепловой двигатель Холодильная машина

Принцип работы теплового двигателя от термостата с более высокой температурой T1, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q1, а термостату с более низкой температурой T2, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q2, при этом совершается работа A = Q1-Q2. Термический КПД двигателя

Чтобы КПД был равен единице, необходимо, чтобы Q2 = 0, а это запрещено вторым началом термодинамики.

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине: от термостата с более низкой температурой T2 за цикл отнимается количество теплоты Q2 и отдается термостату с более высокой температурой T1>T2. При этом или

Количество теплоты Q1, отданное системой термостату T1, больше количества теплоты Q2, полученного от термостата T2, на величину работы, совершенной над системой.

Эффективность холодильной машины характеризует холодильный коэффициент h’ – отношение отнятого от термостата с более низкой температурой количества теплоты Q2 к работе A, которая затрачивается на приведение холодильной машины в действие:

Холодильные машины

Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной. В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме (p , V ) обходятся против часовой стрелки.

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q 2 | от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

т. е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении βх может быть и больше, и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно

Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q 1 | нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Эффективность βТ теплового насоса может быть определена как отношение

т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:

Следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector